（微电子学与固体电子学专业论文）cmos可变增益放大器的设计.pdf

中文摘要 摘要：集成电路具有体积小、可靠性高、饿能好、成本低、便予大规模生产 的特点。随着微电子技术的发展，集成电路在军事、通讯、医疗器械等方巍得到 了广泛的应用。c m o s 工艺在不断发展，电源电压和晶体管沟道长度在不断减小， 低功耗、低成本、线性度高、宽带以及高增益调节范围的c m o s 可变增益放大器 的设计越来越霆要。 本义首先介绍c m o s 可变增益放大器设计的国内外研究水平以及主要应用领 域。详细阐述了基于模拟乘法器的v g a 、基于可编程跨导器的v g a 、基于可编程 负载的v g a 、基于可编稷反馈的v g a 以及基予可编程衰减器的v g a 。结合设计 拟达到的技术指标，确定采用基于可编程衰减器的v g a 作为设计方案，即采用恒 定增益运算放人器与可编程衰减网络级联的方式实现v g a 。 运算放大器是本文中可变增益放大器的核心电路。本文详细分桥了各类运算 放大器的结构，分析这些运算放大器的优缺点，由此确定本文设计所采用的运算 放大器结构：第一级采用差分放大电路，并采用了自偏置高摆幅电流沉设计提高 输入级的摆幅；第二级采用了双共源共概放大电路的设计，改善了运算放大器频 率特性；第三级采用了源极跟随器作为输出缓冲级降低了输出阻抗，提高了电路 的驱动畿力。经过一系列理论计算以及仿真，输入级差分放大电路、双共源兆栅 敖大电路、源极跟随器等电路的设计基本达到了设计指标要求。 可编程衰减网络设计中采用数字控制方式，提高tv g a 电路的可靠性积控制 精度。该衰减网络由数字控制字发生器和r 2 r 衰减网络以及一组m o s 管开关电 路组成。在设计孛，借鉴数字集成毫路中基于标准单元的谈计方法，采用硬件描 述语言设计数字控制字产生电路，经逻辑综合生成相互连接的与门、与非门、或 t l - j 及非门电路。经过功能验证、晶体管级电路验证后，该电路可以实现数字控 制字的功能。 本文最后阐述了版图设计的摆关知识，并对运算放大器以及可编程衰减器进 行了版图设计。最终成功设计了一款应用于低中频、高增益、以d b 量程变化的 v g a 。 本设诗是基予c a d e n c ee d a 平台，采用j a z z 半导体公司的0 3 5 - t ms i g e b i c m o s 工艺( s b c 3 5 ) 。v g a 的工作电压为3 3 v ，调节范围为3 5 7 7 d b ，步k 为6 0 2 d b ，3 d b 带宽为4 4 6 m h z ，静态功耗为ll m w 。 关键词：可变增益放大器；运算放大器；可编程衰减器 分类号：t n 7 2 2 a bs t r a c t a b s t r a c t i n t e g r a t e dc i r c u i t sw i t hs m a l ls i z e s ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dh i g h p e r f o r m a n c e ，l o wc o s t sa r el a r g e l yp r o d u c e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y , i n t e g r a t e dc i r c u i t sa r ew i d e l yu s e di nm i l i t a r y , c o m m u n i c a t i o n s ，m e d i c a l e q u i p m e n t sa n ds oo n c m o sv a r i a b l eg a i na m p l i f i e r s ( v g a ) w i t hl o wp o w e r , l o wc o s t ， h i g hl i n e a r i t y ，w i d eb a n d w i d t ha n dh i g h g a i nc o n t r o lr a n g eb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n tw i t ht h er e d u c t i o no fp o w e rv o l t a g ea n dc h a n n e ll e n g t h f i r s t l y ，c m o sv g a sd e s i g na n ds t u d ya n di t sa p p l i c a t i o na r e a sa th o m ea n d a b r o a dw e r eg i v e nc u r r e n t l y s o m ev g aa r c h i t e c t u r e sa r ee l a b o r a t e di nd e t a i ls u c ha s v g ab a s e do na n a l o gm u l t i p l i e r , v g ab a s e do np r o g r a m m a b l et r a n s c o n d u c t a n c e ， v g ab a s e do np r o g r a m m a b l el o a d ，v g ab a s e do np r o g r a m m a b l ef e e d b a c ka n dv g a b a s e do np r o g r a m m a b l ea t t e n u a t o r ac o n s t a n t g a i no p e r a t i o n a la m p l i f i e ra n d p r o g r a m m a b l ea t t e n u a t o rc a s c o d ea r c h i t e c t u r ea r eu s e dt oi m p l e m e n tt h ev g a a no p e r a t i o n a la m p l i f i e ri st h ek e yo f t h ev g a ad e t a i l e da n a l y s i so f s o m ek i n d s o fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r si sp r e s e n t e d t h ea r c h i t e c t u r eo ft h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e ri s d e t e r m i n e df r o ma d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r sa b o v e a s e l f - b i a s i n gc u r r e n ts i n kd e s i g ni n c r e a s eo u t p u ts w i n go f t h ei n p u td i f f e r e n t i a la m p l i f i e r ad u a lc a s c o d ea m p l i f i e ri m p r o v e st h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo p e r a t i o n a l a m p l i f i e r as o u r c ef o l l o w e rr e d u c e st h eo u t p u ti m p e d a n c ea n di n c r e a s ec i r c u i td r i v e c a p a b i l i t y 。t h er e s u l to ft h ed e s i g ns a t i s f i e dt h es p e c i f i c a t i o nb yas e r i e so ft h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n sa n ds i m u l a t i o n s t h ed i g i t a lc o n t r o lm e t h o di su s e di na na t t e n u a t i o nn e t w o r kt oc o n t r o lc i r c u i t r e l i a b i l i t ya n dt oi m p r o v ec o n t r o la c c u r a c y a na t t e n u a t i o nn e t w o r ki sc o m p o s e do f d i g i t a lc o n t r o lw o r dg e n e r a t o ra n dr - 2 ra t t e n u a t o ra n dag r o u po fm o ss w i t c hc i r c u i t s n ed e s i g no f t h ec o n t r o lw o r dg e n e r a t i o nc i r c u i ti sr e f e r r e df r o mc e l l - b a s e d w h i c hu s e s v e r i l o gh d l a n dg e n e r a t e sb yt h el o g i cs y n t h e s i su s i n gd cc o m p i l e re d at o o l s t h e d i g i t a lc o n t r o lc i r c u i tc a na c h i e v et h ef u n c t i o n so ft h ec i r c u i tb yf u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n ， t r a n s i s t o r 1 e v e lc i r c u i tv e r i f i c a t i o n f i n a l l y ，t h er e l e v a n tk n o w l e d g eo fl a y o u ti sg i v e n t h el a y o u td e s i g no fa n o p e r a t i o n a la m p l i f i e ra n dap r o g r a m m a b l ea t t e n u a t o ri sf i n i s h e d 。t h ev g au s e da l o w i fa p p l i c a t i o n s ，h i g h g a i nc o n t r o lr a n g ei sc o m p l e t e d t h ed e s i g no fv g ai sb a s e do nt h ec a d e n c ee d ap l a t f o r m t h ea m p l i f i e ri s f a b r i c a t e di n0 3 5 9 ms i g eb i c m o sp r o c e s s ( s b c 3 5 ) f r o mt h ej a z zs e r e i c o n d u c t o r t h i sv g ao p e r a t e sa ta l li ff r e q u e n c yo f4 4 6 m h z ，a n dp r o v i d e s4 2 d bg a i nc o n t r o l r a n g ei n6 d bs t e p sb yd i g i t a lc o n t r o l l e dw a y s t h ev g a s t a t i cp o w e rd i s s i p a t i o ni s 1 l m w k e y w o r d s ：v g a ；o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ；p r o g r a m m a b l ea t t e n u a t o r c l 。a s s n o ：1 n 7 2 2 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫撼等复鬣手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：兰逐& 签字目嬲：了执暮年护沁e l 导师签名：娩矽 签字鼹期：铆 年多胃 1 ) e 1 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本入在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成采，除了文巾特瘸掬叛标注秘致落之懿矫，论文审不雹含其缝入醴经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了骥确戆说囊并裘示了谢意。 学馘文作者繇岁良签字嗍渺扩年参胃 钼 6 1 致谢 本论文的工作是在我的导烀骆磊教授的悉心指导下完成的，骆禚教授严谨的 治学态度和科学的_ 正作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来骆 老师对我的关心和指导。 骆鼯教授悉心指导我们完成了实验室的科磷工作，在学习上帮生活主都给予 了我很大的关心和帮助，在此向骆丽老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，刘招林、赵建飞、俞帆等同学对我论文中的 运算放大器以及舨匿研究工作给予了热情帮助，在芄向饱餐表达我的感激之情。 另外也感谢我的爱人和女儿，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1引言 l 。1 研究背景及意义 可变增益放大器( v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ，v g a ) 应用在各种遥感设备，无线 遂信设备，高频调谐器等视频设备，便携式超声波、助听器等医疗设备以及工业 扫描等工业成像设备中。图1 1 为无线通信领域应用的零中频蓝牙接收机结构图， 其中v g a 的作用是实现中低频可变增益，提高了接收机的动态范围。 l 0 2 豳1 1 薤矛接彀棍结秘图 f i g 1 。1ab l u e t o o t hr e c e i v e ra r c h i t e c t u r e 霉翦v g a 设计露临的挑战有以下几个方面：实现低电压、低功耗、宽带宽、 低噪声、高线性度、高增益调节范围及精确的调节步长的设计。随着c m o s 工艺 技术的发展，根据应用场合的不同，v g a 设计越来越受到重视，成为c m o s 模拟 集成电路设计的热点。 1 2 国内外研究与应用现状 目前，国际上应用到a m f m i b o c 射频接收机的v g a 芯片，采用o 1 8 1 a m 工 艺，在a m 模式( 3 k h z ) 下，增益调节最大范围达11 8 d b t l 】；用_ f 超低电压射频 接收祝的v g a 采用9 0 n m 工艺设计，工作电压仅为0 5 v ，整个接收枧芯冀的功耗 仅为8 5 m w t 2 l ；使用i n p i n g a a sd h b t 工艺实现的歙v g a 芯片增益带宽积达 3 5 4 g h z ，3 d b 带宽达5 0 g h z i 粥。约2 0 年前的v g a 实现大多采用5 v 工作电压，3 r t m 工艺，带宽仅为3 m h z ，增益调节范围为5 0 d b 4 1 。1 0 年前采用双栅高电子迁移率 晶体管设计v g a 单片微波集成屯路频率达3 0 3 5 g h z ，5 0 d b 增菔调节范围p j 。 a n a l o gd e v i c e s ，i n c ( 篾称a d i 公司) 最薪研制的a d 8 3 7 2 是一款可编程双通 道v g a 。增益调节范围为4 1 d b 、步长为1d b 、3 d b 带宽为1 5 0 m h z 。应用于差分 a d c 驱动器、c m t s 上行直接采样接收机、c a t v 调制信号缩放、普通r f i f 增 益级、单端差分转换等电路翻。 近几年我图关于c m o sv g a 集成电路设计有一些发展。2 0 0 3 年，由清华微 电子所设计的一款针对超外差结构的无线宽带接收器的v g a ，采用t s m c0 1 8 u m c m o s 混合工艺实现。增益谲节范围达7 0 d b ，- v 作电逶为3 v ，王作频率为 5 0 6 0 0 m h z 7 j 。2 0 0 7 年，由东南大学射频与光电集成电路硪究所研制的对数增益 线性控制型的宽带c m o sv g a ，采用t s m co 1 8 u mr fc m o s 工艺实现。增益调 节范围为1 2 8 d b ，3 d b 带宽达4 3 0 - 2 3 3 0 m h z ，工作电压为1 8 v i s 。 1 3 本文的主要工作 本文将通过查阅国内外关于v g a 的论文，对v g a 和c m o s 运算放人器的常 觅结构及性能参数进行详细的阐述，在此基础上确定本文设计的v g a 结构。采用 s b c 3 5 工艺设计一款工作电压戈3 3 v ，3 d b 带宽为7 5 k 7 5 0 k h z ，增益调节范围 为3 5 7 7 d b ，最大增益处参考噪声为3 0 n v s q r t ( h z ) ，增益调节步长为6 d b 的v g a 。 运用c a d e n c ee d a 工具对电路及版图进行设计与仿真。 本文的结构如下： 第一章简要介缨v g a 的研究背景及意义、国内外研究现状以及本文研究的 主要工作。 第一章着重会绍v g a 的常觉结构，优缺点以及重要性麓参数，并详细阐述 运算放大器的相关知识。 第三章介绍c m o s 运算放大器即恒增益运算放大器的设计及仿真。 第西章介绍可编程衰减网络的设计及仿真。 第五章介绍v g a 实现以及增益调节范围、增益调节步长、线性度以及噪声 的仿真。 第八章介绍v g a 的版图实现。重点介绍共质心差分对版图以及仿标准单元 方法进 亍的等离数字基本单元版图实现。 第七章总结设计的优缺点及今后改进方案。 2 2v g a 原理 v g a 是在普通放大器的基础上，通过一系列改变增益的措施来实现放大器增 益的可调。根据应用的频段不同，分为射频v g a 和中低频v g a 。根据增益调节 控制方式的不同，可以分为数字控制v g a 和模拟控制v g a 等等。 2 1 v g a 常见结构【9 】 2 1 董基于模拟乘法器的v g a 基于模拟乘法器的v g a 是在g i l b e r t 单元的基础卜发展起来的。图2 1 给 了 g i l b e r t 单元的电路阌。当 得崮 置= 导+ 3 7 ) l o t r r 电路中4 拿m o s 管的宽长l - t ；( w l ) 可以遥过式( 3 。8 ) 褥崮 等= 丽2 i o v - r 辂国 一= 一 l x l 三k ( ) 2 、 式中鼍为n m o s 管豹器传跨导参数，与器件工艺有荚。 输出电阻也是衡量电流沉的一项指标。本设计电路的输出0 9 f t t o , 为 = o u t = o + 像l + g 拼仫。么l ( 3 - 9 ) l 砌 一般g 辨o l ，所以式( 3 9 ) 简化为 r o 埘毫( 岛仫o ) l ( 3 - 1 0 ) 图3 3 为自偏置高摆幅电路的仿真结果。苁图中可以看寤，电路输逝电流为 3 0 0 u 丁 o 1 0 0 u 1 0 0 u ：m i d 厂 ； 0 彩1 ，02 巧3 秘 图3 3 输出特性 f i g 3 3o u t p u tc h a r a c t e d s t i c s 2 l 3 9 6 p a ，与设计指标相比有4 从的误差。电流沉的最小输出电压约为0 5 v ，使差 分放大器有较大的摆幅，而标准共源共栅电流沉的最小输出电压约为1 2 v 。两个 电路比较，自偏置高摆幅共源共襁具有明驻的优势。 3 1 2 差分放大器设计 差分放大器与共源放大器、共漏放大器等单瑞输入电路相比，具有很强的共 模输入信号抑制能力，具有更强的抗干扰能力( 电源噪声和地噪声都可看作共模 输入信号) ，鼠输入、输出信号范围较大，但缺点是完成同样的电乐增益，占用芯 片露积约是单端输入电路的两馈。 源极耦合对差分放大器结构与欺源共栅耦合差分放大器相比更容易进行频率 补偿，故本文采用该结构，但这种结构缺点是增益较低。 本文中设计是以m 4 稠m 5 两个n m o s 晶体管作势输入对管的差分放大器，其 负载电流镜由m 6 和m 7 两个p m o s 晶体管组成，如图3 4 所示。它将差分输入转 为单端输出，并要求产生约4 0 d b 的增益。 v v 1 嘲3 4p m o s 有源负载的筹分放大器 f i g 。3 , 4d i f f e r e n t i a la m p l i f i e rw i t hp m o sa c t i v el o a d 图3 5 为菱分放大器的低频小信号等效模型，图3 6 是简化后的低频小信号模 型。无负载差模电莲增益可以通过差分放大器的小信号输出电阻来定义。从篱优 模型可以看出r o 。为 因此，差模电压增益为 共模电压增益为 l = 瓦g 蠢s 专g 蠡6 如= 单一 g 蠡s 专g 出6 屯= 薏 镪貔 图3 5 差分放人器小信号精确模型 f i g 3 5s m a l l s i g n a la c c u r a t em o d e lo f d i f f e r e n t i a la m p l i f i e r 图3 6 差分放火器奎信号篱健模型 f i g 3 6s m a l l - s i g n a ls i m p l i f i e dm o d e lo f d i f f e r e n t i a la m p l i f i e r c m r r 哥通过式( 3 1 4 ) 进行侍算， c m r r = 2 0 1 0 i gl 争净2 0 l o gi 塾舀也i g a s 十g d s 6 输入共模范围( i n p u tc o m m o n m o d er a n g e ，i c m r ) o + l 十s i c m r 800m 、一 4 0 0 m 0 谚0 l ：i v o u t d cr e s p o n s e ，。 - - i - 。1 0 ，0，5 01 01 s2 ，$ 诵n 图3 1 1 输入输出直流转性 f i g 。3 。11i n p u to u t p u td cc h a r a c t e r i s t i c s 图3 1 2 为源极跟随器输出电阻的仿真结果。a 点为无负载电阻时源极跟随器 的输出电压值约为2 0 9 v 。在源极跟随器输出端接入负载电阻，通过扫描负载电阻 d cr e s p o n s e t ： 、n “：；：。口：w = 2 8 慷，：样黜2 矗f d ：w = + 2 4 u p ，一，i ：w 燃2 0 u ，、：，= 一、。：口：w = ”2 8 拈，# = ”2 0 l ，a ：w - - - ”2 4 u_ 。2 ：一l ：w _ 2 0 u 。| | | | j 一 睦 。一 ， 一i r a b ：( 2 0 3 6 8 61 4 5 9 1 s l o o e ：一4 g 0 9 1 图3 1 2 输磁电阻 f i g 。3 。1 2o u 肇u tr e s i s t o r 的乙值，得到b 点为电压值为1 0 4 v ，l 傻为2 8 t m 。- - i 失n 此时的负载电阻值与源 极跟随器输出电阻值相等，此时的负载电阻值为2 9 3q ，即源极跟随器的输出电阻 为2 9 3 q 。 3 4 偏置电路设计 双共源共栅电路的偏置电压巧、k 由图3 1 3 所示电路产生。电路幽电流源及 电流沉龟路组成。原理与图3 1 电路相同，不再赘述。第二级双共源共栅需要为其 提供1 0 v 、1 2 v 偏置电压。图3 1 4 为偏置l 乜路输出随温度变化曲线。仿真结果表 图3 ，1 3 偏誓电路 f i g 。3 1 3b i a s i n gc i r c u i t 蟮 鹱在2 7 c 常温时，偏置电路输溅v n 为1 0 2 v ：v p 为i 。2 v 。可以满足第二级电路 的设计要求。 篓塞一蛮鎏鑫堂亟圭堂焦逾塞g 丛q 墨运差越友鼹迢让墨笾真 s 蓼g 。 2 5 ，- 、 7 5 0 ，g m 、一 3 7 5 g m g 谚g 彩 0 - ：v n l ：v p d cr e s p o n s e 盘 。一 一 r 一 一 。j i j i 。j _ - i - i - i - i t e m pfc a ：( z ，z z 0 j1 z u 1 醛 8 ：( 2 7 。2 6 8 41 。腔5 6 4 , 1 1 2 1 t ( 3 ：【耳0 ，l 口4 6 6 m 一1 4 ，0 4 2 m s l o p e ：一4 。g s 4 8 2 图3 1 4 偏置电路输出随温度变化特性 f i g 3 1 4o u t p u tc h a r a c t e r i s t i co f b i a s i n gc i r c u i tw i t ht e m p e r a t u r e 3 5 运算放大器仿真 1 开环差模电压增益 图3 1 5 为开环差模电压增益的仿真结果。从图中可以看出差模电压增益为 9 纾 40 可 、，- 1 0 9 0 字- 1 0 9 奄 、一3 彩a a cr e s p o n s e 一 k 、 l ：p h a s e d e g i n w m p p e d n f ( | n e t 1 11 2 t t 、心e t j e i 。 一、 n 2 11 k1 m i ( 3 f r e q ( h z ) 坌；f 堡：曼墨璺圣缝墨墅：王蚤圣2釜妇窖呈i ：z 墅圣：茎笔 网3 15 刀：环差模增益及相位频率特性 f i g 3 15o p e n - l o o pg a i na n dp h a s ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co f d i f f e r e n t i a lm o d e 8 3 5 d b ：3 d b 带宽为4 4 6 m h z ：g b w 为6 9 0 。8 3 m h z ，达到了设嗣要求。由予运 2 9 放在本设计中处于开环应用，不会产生相移问题，因此设计中未考虑频率补偿问 题。 2 共模抑制毙 图3 1 6 为共模抑制比，仿真结果为7 6 d b 。可以看出该运放对共模抑制作用比 较强。该结果是通过c a d e n c ee d a - r 具中的计算器功能计算差模增益与共模增益 之比得来的。 8 0 6 0 可 吝4 0 i v 芝 c ) 2 0 0 ，g a cr e s p o n s e 、 瓿 i 、 ： 、 ! i j ， l j 1 k1 m1 0 f r e q ( h z ) 图3 1 6 共模抑制比 f i g 3 1 6c m r r 3 电源抑制比 图3 1 7 为电源抑制比，仿真结果为6 8 d b 。可以看出该运放对电源抑制作用一 a cr e s p o n s e 8 彩 6 9 詈 绚 叱 ( 疗 i x 2 0 囝彩 ：瑶露，、0 j 一一。；一：j 、。：，5 叫p ! - + ，e ；c j ，；z ，。， k 、t 、 、 女 11 (1 m1 g f r e q ( h z ) 图3 1 7 电源抑毹比 f i g 3 1 7p s r r 般。该结果是通过c a d e n c ee d a 工具中的计算器功能计算差模增益与电源到输出 的增益之比得来的。 4 输出摆幅 图3 1 8 为输出电压摆幅的仿真结果：1 0 士1 0 v 。由结果可以看出运放的摆幅 的上限穗对于3 3 v 的工律电压来说比较低，这楚由于共源共播p m o s 管的过载电 压较高造成的，有待今后工作予以改进。摆幅的下限是比较低的，达到了o v 。 3 ，g 2 ，a 一 1 0 g ，g i i ：v o d cr e s p o n s e 屯 f 。l 。- - 。1。1 f 。- j 。1 | 1 - 。，。i a 01 a2 ，0j d4 - ，a v 图3 。l s 输出电骶摆堰 f i g 3 18o u t p u ts w i n g 3 l 4可编程衰减网络 4 1 v e r i l o gh d l 概述 v e r i l o gh d l ( v e r i l o gh a 州w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是一种硬件描述语言， 雳于数字宅予系统设计。设计者可班从上层到下层( 麸抽象到具体) ，逐层搐述自 己的设计思想，用系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。可以进行各 种级别的逻辑设计，可用它进行数字逻辑系统的仿真验证、时序分析、逻辑综合。 是目前应用最广泛的一种硬 宰搂述语言。 采用v e r i l o gh d l 设计复杂数字电路有缀多优势。图4 。l 给出了v e r i l o gh d l 与另一种硬件描述语言v h d l ( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 的建模能 力比较。苁图中可黻看出v e r i l o gh d l 在系统级抽象方面比v h d l 略羞一些，而 在门级开关电路描述方面比v h d l 强得多。采用v e r i l o gh d l 设计的最大优点足 与工艺无关性。代码可以移植到不同厂家不同的芯片中去1 1 7 】。 寄 臻4 ，1v e r i l o gh d l 与v h d l 纛模熊力吃较 f i g 4 1v e r i i o gh d l a n dv h d l m o d e l i n ga b i l i t yc o m p a r i s o n 4 2 逻辑综合 逻辑综合器提供了h d l 语言和阏表之间豹连接，就像c 语言编译器提供c 源 3 2 程序与机器语言之问的连接一榉。 在数字集成电路设计流程巾，逻辑综合是前端设计中很重要的一个环节。综 合虢是指使用综合工具，根据芯片制造商提供的基本电路单元库，在加上特定设 计约束的基础上，把h d l 描述转换成优化的门级网表的过程。逻辑综合负责将寄 存器传输层的结构描述转化为逻辑层的结构描述，以及将逻辑层的结构描述转化 为电路的结构描述。 综合过程可以分为三个步骤： 1 转译：读入电路的r t l 级描述，将语言转译成每条语句所对应的功能块以 及功能块之间的拓扑结构，这一过程的结果是在综合器内部生成电路的布尔黼数 表达，不做任何逻辑重组秘优化。 2 优化：基于所施加的时序和面积约束条件，综合器按照定的算法对转译 结采作逻辑重组和优化。 3 映射：根据所旌加的时序秘萄较约束条件，综合器从曩标工艺霹中搜索符 合条件的单元来构成实际电路。 由芯片制造商提供的工艺库，有一系列的基本单元，如与非门、或非门、反 榛器、锁存器、触发器、选择器、全加器等以及对这些单元的电气特性进季亍描述。 例如：单元的面积、输入端电容、输出端的驱动能力、单元的逻辑功能、单元的 时序、功耗等。综合的目的就是用工艺库文件提供的单元来实现r t l 代码描述的逻 辑功能，并满足设计者提潞翡瑟秩帮时序要求嘲。 4 3 数字控制字发生器设计 因数字电路容易实现，抗干扰能力强等优点，本文采用数字控制字方式实现 衰减量的可调。 4 3 。l 控制字产生电路 利嬲v e r i l o gh d l 将3 位_ 进制代码转换为8 蕴独热玛( o n e - h o t c o d i n g ) 。独热 码的特点是只有一位是“1 ”，其余位均为“0 ”。独热码的这一特性适于本文中数字控 制字的特点。 3 3 4 3 2 控制宇逻辑综合 利焉s y n o p s y sd e s i g nc o m p i l e re d a 工具对上述v e r i l o gh d lr t l 级代码进 行逻辑综合。链接库，目标库均采用s b c 3 5 典型库文件，用最松的约束条件，旨 在功能上进行实现。生成门级电路如图4 2 所示。 图4 2 控制字产生f 】级电路图 f i g 4 2c o n t r o lw o r dg e n e r a t i o ng a t e l e v e lc i r c u i t 4 3 3 晶体管级电路 由逻辑综合后的门级电路图可知，控制字产生电路共有3 个3 输入或非门、3 个非门、3 个2 输入与菲门、4 个2 输入或非门、1 个3 输入与门组成。 l 。或非f 了晶体镑级电路 图4 3 为3 输入或非门晶体管级电路；图4 4 为2 输入或非门晶体管级电路。 因其性能雷同，故一并进行讨论。或q h - i 电路由并联的n m o s 管与串联的p m o s 管串接维成。 或非f - jp m o s 管及n m o s 管宽长比的确定方法如下： n 个串联的m o s 管等效宽长比： ll ll ( w z ) 彬l 1 厶氐 、 n 个并联的m o s 管等效宽长比： 1，q；_r；1，d； 莎莎莎c|3p 焱 8 c ( wl l ) 埒= ( l ) l + ( 矿l ) 2 + ( 二) ( 4 - 2 ) 假定一个基本反相器的p m o s 宽长比为p ，n m o s 宽长比为n 。沟道长度为 隧4 33 输入或嚣门晶体管缓电路 f i g 4 33 - 1 n p u tn o rg a t ec i r c u i t 图4 42 输入或t l ! f - j 晶体管电路 f i g 4 42 - 1 n p u tn o rg a t ec i r c u i t i p m 。2 输入或j 暑门p m o s 管串联组成的电路考虑最坏情况发生，每个p m o s 宽 长比为2 p ；同理，3 输入或t i er 1p m o s 管串接组成的电路最坏情况发生，宽长比 为3 p 。2 输入或菲门n m o s 管并联组成的电路考虑最坏情况发生，每个n m o s 宽 长比秀n 。 2 输入或非门功能仿真结果如图4 5 所示。 一 毒，g 三g 0 t r a n s i e n tr e s p o n s e y 一ji j l 。- ，。毒 hl 走- l 上- 毒 t ttj 三z 白。一l 。口上 三一们1 0 邕二 艺一毫= ! = = = = = = = 螺。l 。釜：= = = 定= = j l 妇呀3 ，切t 1i 田u t l m e s ) 图4 52 输入端或蟾门仿真结豢 3 5 a j i：f，r 3 输入端或- - - 1 1 1r - 功能仿真结果如图4 6 所示。由仿真结果可以得出，这两个电 路均达到了设计要求的或非门功能。即d = 4 + b ；d 端彳+ b + c 。 t r a n s i e n t r e s p o n s e ；茜：暮 、 4 0 国0 、一 甲：a ，。= = = 。b ：盘。早i 4 ：蚕 己。勘一。i ：二：j ：。2 。：i 。舻。南j ；彩4 ，9 0 ：二。曲一一。墨 ；“4 g 占竺1 叠妊一 v 0 05 ，o ul o u t l m e ( s ) 图4 。63 输入端或非门傍真续暴 f i g 4 6f u n c t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t so fa3 - i n p u tn o rg a t e 2 。与- = 1 1 1 r 晶体管级电路 网4 72 输入端与非fj 晶体管电路 f i g 4 72 - i n p u tn a n dg a t ec i r c u i t 图4 7 为2 输入与非门晶体管级电路，与非门电路由串联的n m o s 管与并联 的p m o s 管串接组成。 2 输入与非门p m o s 管及n m o s 管宽长比的确定方法如下： 假定一个基本反相器的p m o s 宽长比为p ，n m o s 宽长比为n 。沟道长度为 l h | n 。2 输入与菲门p m o s 管并联组成的电路考虑最坏情况发生，每个p m o s 宽 长比为p ；同理， 2 输入与非门n m o s 管并联组成的电路考虑最坏情况发生，每 个n m o s 宽长比为2 n 。 2 输入与非门功能仿真如图4 8 所示 t r a n s i e n tr e s p o n s e 一4 0 f “：曼一、p 一一一 、。一尹； 一 = 二0 0 己。j 是。l “一。一9 二。一 一 4 。0 三0 0 三二1 朋0 邕兰= l 亡二1 一 三一i 。一。一。j 竺土一兰= = = 妻= = j t i m e ( g ) 圈4 82 输入端与非门功能仿真结果 f i g 4 8s i m u l a t i o nr e s u l t so fa2 - i n p u tn a n dg a t e 扶功能仿真结采可以看出，该电路能够完成2 输入端号嚣f 1 功能，邸： 3 与门及非门晶体管级电路 图4 93 输入端与门晶体篱级电路 f i g 4 93 - i n p u ta n dg a t ec i r c u i t 3 7 圈4 。1 0 錾趣鑫体管级电路 f i g 4 10n o tg a t ec i r c u i t 图4 。9 必3 输入端与奠晶体管级电路；图4 1 e 为簿门瑟体管级电路。其设计 方法和2 输入端与非门类似，这里不再赘述。 与门功能仿真如图4 1 1 所示。由其仿真结果可以看出，电路功能均符合设计 要求，瑟：d a b o c 。非f j 功能仿真如图4 。1 2 所示。由仿真结_ 柒可! 以看出，电 路可以实现逻辑非，即：b = a 。 ，、 、- ， ，- 、 、， t r o